打工人日报#20250925

打工人日报#20250925

周四，想要学FPGA的感觉爆棚

知识点

FPGA 主流厂商介绍

• 赛灵思（Xilinx）：全球 FPGA 市场的领导者，于 1984 年成立。开发工具为 Vivado 和 ISE。产品丰富，包括面向低端市场的 Spartan 系列；作为过渡的 Artix 系列；高端的 Kintex 和 Virtex 系列；可嵌入 ARM Cortex 系列 CPU 的全可编程 SoC 和 MPSoC 的 Zynq 系列等。其 Versal 系列 ACAP 平台是大数据、AI、自动驾驶等技术的核心支撑，广泛应用于通信、航空航天、AI 加速等众多高端领域。

• 英特尔（Intel，原 Altera）：2015 年英特尔收购 Altera。Altera 曾是与赛灵思齐名的 FPGA 供应商。开发工具为 Quartus Prime。产品有高端的 Stratix 系列，如 Stratix 10；集成 ARM 核的 SoC FPGA 的 Arria 系列；面向消费电子和物联网的低成本 Cyclone 系列；CPLD 产品 MAX 系列等。英特尔将 FPGA 技术与其主流处理器产品结合，推动了 FPGA 在边缘计算、AI 加速以及加密领域的应用创新。

• 莱迪思（Lattice Semiconductor）：成立于 1983 年，是著名的可编程逻辑解决方案供应商。产品有超低功耗的 iCE40 系列，适用于移动设备和边缘计算；ECP 系列可提供低成本、高密度的 FPGA 解决方案；MachXO3/CrossLink 系列为中低密度 FPGA，用于视频接口和工业控制；Certus - NX 系列基于 28nm 工艺，支持高速接口和 AI 推理。该公司专注于低功耗、小型化 FPGA 设计，在消费电子、汽车、通信及工业自动化领域应用广泛。

• 微芯科技（Microchip，收购 Microsemi）：Microsemi 在 2018 年被 Microchip 收购。其 SmartFusion 系列 FPGA 在嵌入式系统、工业自动化及通信领域应用广泛。PolarFire 系列为中端 FPGA，强调低功耗和安全性，适用于航空航天和国防；SmartFusion2/IGLOO2 系列是集成 MCU 的 SoC FPGA，在高可靠性领域，如汽车和工业自动化方面有独特优势。

• Achronix Semiconductor：提供高性能、高密度 FPGA 方案的美国高科技公司，致力于先进工艺发展新一代 FPGA 器件。其 Speedster 系列产品，尤其是 Speedster22i 是世界上最快的 FPGA 之一，拥有丰富接口，如 100G Ethernet、100G Interlaken、PCI Express 和 DDR3 等，在高速数据处理和大数据、网络通信、数据中心以及高频交易等领域表现出色。

• 紫光同创

• 基本信息：深圳市紫光同创电子有限公司成立于 2013 年 12 月，是新紫光集团旗下公司紫光国微的子公司，也是国内 FPGA 综合实力领军者。

• 产品情况：Titan 系列为高性能 FPGA，如 2024 年推出的基于 FinFET 工艺的 Titan-3 系列，性能对标国际高端 FPGA，应用于 AI 推理和高速计算；Logos 系列是高性价比 FPGA，采用先进成熟工艺和全新 LUT5 结构；Compact 系列为低功耗 CPLD；SoPC 系统平台有 Kosmo 系列，2024 年发布首款国产多核异构 SoPC 芯片 PG2K400，集成 ARM 处理器与 FPGA。

• 安路科技

• 基本信息：上海安路信息科技股份有限公司成立于 2011 年 11 月，总部位于上海张江高科技园区，是国内领先的 FPGA 及 FPSoC 设计企业，2021 年在科创板上市。

• 产品情况：产品矩阵丰富，有 PHOENIX（凤凰）系列，定位高性价比；EAGLE（猎鹰）系列，低功耗低成本；ELF（精灵）系列，为 55nm 低功耗系列；SWIFT（雨燕）系列，为 FPSoC 系列，内置高性能 RISC - V 处理器硬核等；DRAGON（飞龙）系列，是多核 ARM/RISC - V 处理器与安路 FPGA 结合的 FPSoC 系列。

• 高云半导体

• 基本信息：广东高云半导体科技股份有限公司成立于 2014 年 1 月 3 日，是专注于 FPGA 芯片正向开发的高新技术企业，是国内唯一获得主流车规认证的 FPGA 企业。

• 产品情况：晨熙家族（GW2A）为 22/28nm 中高端产品，定位高性能、低功耗，主攻通信、工业及汽车领域；小蜜蜂家族（GW1N）为 55nm 低功耗产品，主打消费电子和边缘计算。

• 复旦微电子

• 基本信息：1998 年在复旦大学逸夫楼成立，曾于 2000 年在港交所上市。在 FPGA 领域有近 20 年的研究和发展，是国内为数不多自主研发 FPGA 的研究机构。

• 产品情况：率先开发了国内首款亿门级 FinFET FPGA、国内首款异构融合亿门级 PSOC 芯片，以及国内首款面向人工智能应用的可重构芯片 FPAI（FPGA+AI）芯片，产品广泛应用于通信、人工智能、工业控制、信号处理等领域。

• 京微齐力

• 基本信息：注册在北京经济技术开发区，总部设于亦庄，是国内最早进入自主研发、规模生产、批量销售通用 FPGA 芯片及新一代异构可编程计算芯片的企业之一。

• 产品情况：有 HME - R（河）系列、HME - M7（华山）系列，M7 系列产品集成了主流的 ARM Cortex - M3 内核和高性能 FPGA；HME - P（飞马）系列，P1 采用了 TSMC 40nm CMOS 工艺，逻辑容量近 60K。

• 智多晶

• 基本信息：西安智多晶微电子有限公司成立于 2012 年，总部位于西安，北京设立有 EDA 软件研究中心。

• 产品情况：已实现 55nm、40nm 工艺中密度 FPGA 的量产，推出了 Seagull 1000 系列、Sealion 2000 系列、Seal 5000 系列等产品。

• 中科亿海微

• 基本信息：成立于 2017 年 1 月，是 "可编程芯片与智能微系统" 技术领域的国家专精特新 "小巨人" 企业、中科院技术转化平台。

• 产品情况：坚持全正向设计技术路线，有亿海神盾系列（2 系），为工业级 FPGA 芯片；亿海龙珠系列（9 系），支持异构计算与高速接口。

FPGA、CPU 和 DSP 对比

FPGA（现场可编程门阵列）、CPU（中央处理器）和 DSP（数字信号处理器）是现代计算和电子系统中常用的核心处理部件，它们在定义、架构、功能和应用场景等方面存在显著差异。

定义

• FPGA（Field - Programmable Gate Array）：是一种集成电路，内部包含大量可配置逻辑单元（如查找表 LUT 和触发器）以及可编程互连资源。用户可通过硬件描述语言（如 VHDL、Verilog）对其进行编程，以实现特定的数字逻辑功能。这种可编程特性使得 FPGA 能在不同应用场景下灵活配置硬件逻辑，适应多样化的需求。
• CPU（Central Processing Unit）：作为计算机系统的核心，是执行计算机指令和处理数据的关键部件。它遵循冯・诺依曼体系结构，由运算器、控制器、寄存器等组成，具备通用计算能力，能处理各种类型的任务，包括操作系统管理、应用程序执行、数据处理等。
• DSP（Digital Signal Processor）：是一种专门设计用于快速、高效处理数字信号的微处理器。其架构针对数字信号处理算法进行优化，如数字滤波、快速傅里叶变换（FFT）、卷积运算等，旨在实时处理大量数字信号数据，满足信号处理领域对运算速度和精度的严格要求。

架构特点

• FPGA：
• 并行处理：拥有众多可独立配置的逻辑单元，能够并行执行多个逻辑操作。例如，在图像处理中，可同时对图像的不同像素点进行处理。
• 灵活性：通过编程可改变硬件逻辑结构，适用于不同算法和应用场景的快速迭代开发。例如，在通信系统中，可根据不同通信协议灵活配置逻辑实现调制解调功能。
• 硬件资源定制：内部资源如逻辑单元、存储器、乘法器等可按需分配和组合，以满足特定应用对资源的需求。
• CPU：
• 通用指令集：具有丰富的通用指令集，可处理各种类型的任务，但执行特定功能时可能并非最优。例如，执行复杂数学运算指令时，相比专门的 DSP 可能效率较低。
• 顺序执行：通常采用顺序执行指令的方式，在一个时间点主要处理一个任务流，虽然有多核 CPU 可并行处理多任务，但任务调度和上下文切换存在开销。
• 缓存结构：配备多级缓存，用于存储频繁访问的数据和指令，以提高数据访问速度，但缓存大小和命中率会影响性能。
• DSP：
• 哈佛结构：通常采用哈佛结构，将程序存储器和数据存储器分开，允许同时访问程序和数据，提高数据处理速度。例如，在实时信号处理中，能快速读取数据和指令进行运算。
• 专用硬件乘法累加器：集成了专门的乘法累加器（MAC）硬件电路，对乘法和累加运算具有极高效率，这是数字信号处理算法中常见的操作。
• 流水线技术：广泛应用流水线技术，使多个操作能重叠执行，进一步提高处理速度，适用于处理连续的数据流。

性能表现

• FPGA：在并行处理大量简单任务或对特定算法进行硬件加速时性能出色，如在加密解密、高速数据采集与预处理等场景中，能提供高带宽和低延迟处理能力。但其编程和配置相对复杂，开发周期较长，不适合执行通用的、复杂逻辑的软件任务。
• CPU：通用性强，能处理各种类型的任务，包括操作系统、数据库管理、网络服务等。在处理复杂逻辑、任务调度和通用计算方面具有优势，但在处理大规模并行数据或特定领域（如数字信号处理）的高性能需求时，可能性能受限，尤其在实时性要求高的场景下。
• DSP：专注于数字信号处理领域，对数字信号处理算法的执行效率极高，能在短时间内处理大量数据，满足实时性要求。但相比 CPU，其通用性较差，处理非信号处理任务的能力有限。

应用场景

• FPGA：常用于通信领域（如 5G 基站的信号处理、软件定义无线电）、图像处理（图像识别、视频编码）、军事和航空航天（雷达信号处理、卫星通信）以及需要快速原型开发和定制硬件逻辑的场景。
• CPU：广泛应用于通用计算机系统（个人电脑、服务器）、操作系统管理、办公软件、数据库管理系统、网络服务器等，是处理各种通用任务的核心。
• DSP：主要应用于音频处理（语音识别、音频编码）、视频处理（视频编解码）、通信系统（调制解调、信道均衡）、工业控制（电机控制、机器人控制）等对数字信号实时处理要求高的领域。

FPGA 组成单元 每个单元介绍

FPGA（现场可编程门阵列）主要由可编程逻辑单元、可编程互连资源、输入输出单元和其他辅助单元组成。以下是对各组成单元的详细介绍：

可编程逻辑单元

• 查找表（LUT，Lookup Table）
• 结构与原理：LUT 本质上是一种基于真值表的数据存储结构，通常为 4 - 6 输入。以 4 输入 LUT 为例，它有 24=16 种可能的输入组合，每种组合对应一个存储在 LUT 中的输出值。当输入信号给到 LUT 时，LUT 会根据输入信号的组合，直接输出预先存储在对应位置的值，从而实现逻辑功能。例如，要实现一个 4 输入的与逻辑函数，只需将 16 种输入组合对应的与运算结果存入 LUT 中。
• 功能：是实现组合逻辑的核心部件。通过配置 LUT 中存储的内容，可实现任意的 n 输入组合逻辑函数，使得 FPGA 能够灵活地构建各种数字电路，如编码器、译码器、多路选择器等。
• 触发器（Flip - Flop）
• 结构与原理：触发器是一种具有记忆功能的基本逻辑单元，常见的有 D 触发器、JK 触发器等。以 D 触发器为例，在时钟信号的触发沿（上升沿或下降沿），D 触发器会将输入信号 D 的值存储起来，并在输出端 Q 输出。在时钟信号无效期间，输出保持不变，从而实现数据的存储和同步处理。
• 功能：用于实现时序逻辑功能，在 FPGA 中，与 LUT 配合使用，可构建计数器、寄存器、状态机等时序电路。例如，多个 D 触发器可级联组成移位寄存器，实现数据的串行移位操作。
• 可配置逻辑块（CLB，Configurable Logic Block）
• 结构与原理：CLB 是 FPGA 中实现逻辑功能的基本单元，它通常由多个 LUT 和触发器组成，不同厂商的 CLB 具体结构可能有所差异，但基本功能相似。CLB 内部的 LUT 实现组合逻辑，触发器实现时序逻辑，二者通过内部连线进行连接和协同工作。
• 功能：作为一个相对独立的逻辑模块，CLB 可实现复杂的逻辑功能，多个 CLB 相互配合，可构建大规模的数字逻辑电路系统，如微处理器内核、数字信号处理模块等。

可编程互连资源

• 布线资源
• 结构与原理：布线资源包括不同长度和类型的金属导线，它们分布在 FPGA 芯片内部，用于连接各个可编程逻辑单元、输入输出单元以及其他功能模块。这些导线通过可编程的开关元件（如传输门）进行连接和断开控制，用户通过编程配置这些开关，来确定信号在芯片内部的传输路径。
• 功能：实现 FPGA 内部各个模块之间的信号传递，确保不同逻辑功能之间能够按照设计要求进行数据交互。布线资源的灵活性和性能直接影响 FPGA 整体的逻辑实现能力和工作速度。例如，在设计一个复杂的数字系统时，需要合理利用布线资源，将各个功能模块连接起来，以实现正确的数据流向和系统功能。
• 可编程开关
• 结构与原理：可编程开关是控制布线资源连接的关键元件，常见的可编程开关有传输门、多路选择器等。以传输门为例，它由一个 NMOS 管和一个 PMOS 管并联组成，通过控制栅极信号来决定传输门的导通与截止，从而实现信号的传输与阻断。多路选择器则根据选择信号，从多个输入信号中选择一个输出。
• 功能：根据用户的编程配置，控制布线资源的连接状态，实现不同逻辑单元之间的灵活互连。可编程开关的性能（如开关速度、导通电阻等）会影响 FPGA 的信号传输质量和工作频率。

输入输出单元（IOB，Input/Output Block）

• 结构与原理：IOB 位于 FPGA 芯片的边缘，是 FPGA 与外部电路进行数据交互的接口。每个 IOB 通常包含输入缓冲器、输出缓冲器、数据寄存器、电平转换电路等部分。输入缓冲器用于接收外部输入信号，并进行信号的缓冲和预处理；输出缓冲器则将 FPGA 内部产生的信号驱动输出到外部电路；数据寄存器可对输入或输出的数据进行寄存，实现数据的同步处理；电平转换电路用于匹配 FPGA 内部逻辑电平与外部电路的电平标准。
• 功能：实现 FPGA 与外部设备（如传感器、执行器、其他芯片等）之间的数据传输和信号交互。IOB 支持多种不同的电平标准（如 TTL、CMOS、LVDS 等），可适应不同外部设备的接口需求。例如，在与传感器连接时，IOB 可接收传感器输出的模拟信号经过 A/D 转换后的数字信号，并将其输入到 FPGA 内部进行处理；在与显示设备连接时，IOB 可将 FPGA 内部处理后的图像数据输出到显示设备进行显示。
  其他辅助单元

- 配置存储器

• 结构与原理：配置存储器用于存储 FPGA 的编程配置数据，这些数据决定了 FPGA 内部可编程逻辑单元、互连资源以及输入输出单元的工作状态和连接方式。配置存储器通常采用 SRAM（静态随机存取存储器）、Flash 等存储技术。基于 SRAM 的配置存储器，其数据在掉电后会丢失，因此每次上电时需要重新加载配置数据；而基于 Flash 的配置存储器则具有掉电数据不丢失的特性。
• 功能：存储 FPGA 的配置信息，在 FPGA 上电或重新配置时，将存储的配置数据加载到 FPGA 内部，使其按照用户设计的逻辑功能工作。配置存储器的容量和访问速度会影响 FPGA 的配置时间和可实现的逻辑规模。
• 时钟管理单元（CMU，Clock Management Unit）
• 结构与原理：CMU 用于产生、分配和管理 FPGA 内部的时钟信号。它通常包含锁相环（PLL，Phase - Locked Loop）、时钟分频器、时钟倍频器等电路模块。PLL 可根据输入的参考时钟信号，产生与参考时钟信号频率成倍数关系且相位锁定的时钟信号；时钟分频器和倍频器则用于对时钟信号进行频率调整，以满足不同逻辑模块对时钟频率的需求。
• 功能：为 FPGA 内部的各个逻辑模块提供稳定、精确且满足不同频率要求的时钟信号。合理的时钟管理对于 FPGA 的正常工作和高性能运行至关重要，它可确保数据在不同逻辑模块之间的同步传输和处理，避免出现时序错误。例如，在高速数据处理电路中，需要通过 CMU 产生高频且稳定的时钟信号，以保证数据的快速准确处理。

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